1）自然循环热水采暖系统的工作原理
图6-4为自然循环热水采暖系统的工作原理图。在这个系统中不设水泵，依靠锅炉加热和主要依靠散热器散热冷却造成供、回水温度差而形成的密度差来维持系统中水的循环，这种水的循环作用压力称为自然压头。
图中假设系统有一个加热中心2（锅炉）和一个冷却中心1（散热器），用供水管3和回水管4把散热器和锅炉连接起来。在系统的最高处连接一个膨胀水箱5，用它来容纳水受热膨胀而增加的体积，并可作为系统最高排气点。运行前，先将系统内充满水，水在锅炉2中被加热后密度减小，热水沿供水管3进入散热器1，在散热器1中的水放热冷却，密度增大，密度较大的回水再沿回水管4返回锅炉2重新加热，这种密度差形成了推动整个系统中的水沿管道流动的动力。
分析该系统循环作用压力时，假设热水在管路中流动时散失热量忽略不计，认为水温只是在锅炉和散热器处发生变化。假想回水管路的最低点断面A-A处有一个阀门，若阀门突然关闭，A-A断面两侧会受到不同的水柱压力，两侧水柱压力差就是推动水在系统中循环流动的自然循环作用动力。
A-A断面两侧水柱压力分别为
断面A-A两侧压力之差Δp=p左-p右，即系统内的作用压力，其值为
式中：Δp——自然循环系统的作用力（Pa）；
g——重力加速度，取9.81（m／s2）；
h——锅炉中心到散热中心的垂直距离（m）；
ρg——供水热水的密度（kg／m3）；
ρh——水冷却后回水的密度（kg／m3）。
由式（6-6）可知，自然循环作用力取决于冷热水之间的密度差和锅炉中心到散热器中心的垂直距离。低温热水采暖系统，供回水温度一定（95℃／70℃）时，为了提高系统的循环作用压力，锅炉的位置应尽可能降低。由于自然循环系统的作用压力一般都不大，作用半径以不超过50m为宜。
2）自然循环热水采暖系统的主要形式
自然循环热水采暖系统的基本形式有双管上供下回式和单管上供下回式两种，如图6-5所示。
（1）双管上供下回式(www.xing528.com)
图6-5（a）所示为双管上供下回式系统。其特点是各层散热器都并联在供、回水立管上，水经回水立管、干管直接流回锅炉。如不考虑水在管道中的冷却，则进入各层散热器的水温相同。
因为这种系统的供水干管在上面，回水干管在下面，故称为上供下回式。又由于这种系统中的散热器都并联在两根立管上，一根为供水立管，一根为回水立管，故称这种系统为双管系统。这种系统的散热器都自成一独立的循环环路，在散热器的供水支管上可以装设阀门，以便用来调节通过散热器的水流量。
（2）单管上供下回式
图6-5（b）所示为单管上供下回式系统。单管系统的特点是热水送入立管后由上向下顺序流过各层散热器，水温逐层降低，各组散热器串联在立管上。每根立管（包括立管上各层散热器）与锅炉、供回水干管形成一个循环环路，各立管环路是并联关系。与双管系统相比，单管系统的优点是系统简单，节省管材，造价低，安装方便，上下层房间的温度差异较小；缺点是顺流式不能进行个体调节。
上供下回式自然循环热水采暖系统管道布置的一个主要特点是：系统的供水干管必须有向膨胀水箱方向上升的流向。其反向的坡度为0.5%～1.0%，散热器支管的坡度一般取1%。这是为了使系统内的空气能顺利地排除，因为系统中若积存空气就会形成气塞，影响水的正常循环。在自然循环系统中，水流在干管中空气气泡的浮升速度为0.1～0.2m／s，而在立管中约为0.25m／s。因此，在上供下回自然循环热水采暖系统充水和运行时，空气能逆着水流方向，经过供水干管聚集到系统的最高处，通过膨胀水箱排除。为使系统顺利地排除空气和在系统停止运行检修时能通过回水干管顺利地排水，回水管应有沿水流向锅炉方向的向下坡度。
图6-5 自然循环采暖系统
1—总立管；2—供水干管；3—供水立管；4—散热器供水支管；5—散热器回水支管；6—回水立管；7—回水干管；8—膨胀水箱连接管；9—充水管（接上水管）；10—泄水管（接下水道）；11—止回阀
3）不同高度散热器环路的作用压力
在如图6-6所示的双管系统中，由于供水同时在上、下两层散热器内冷却，形成了两个并联环路和两个冷却中心。它们的作用压力分别为
式中：Δp1——通过底层散热器1环路的作用压力（Pa）；
Δp2——通过上层散热器2环路的作用压力（Pa）。由式（6-8）可见，通过上层散热器环路的作用压力比通过底层散热器的大，其差值为gh2（ρh-ρg）（Pa）。
由此可见，在双管系统中，由于各层散热器与锅炉的高差不同，虽然进入和流出各层散热器的供、回水温度相同（不考虑管路沿途冷却的影响），也将形成上层作用压力大、下层压力小的现象。如选用不同管径仍不能使各层阻力损失达到平衡，由于流量分配不均，必然会出现上热下冷现象。
在采暖建筑物内，同一竖向各层房间的室温不符合设计要求的温度，而出现上、下层冷热不均的现象，通常称为系统垂直失调。由此可见，双管系统的垂直失调是由于通过各层的循环作用压力不同而出现的，而且楼层数越多，上下层的作用压力差值越大，垂直失调就会越严重。
图6-6 双管系统
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